基于可编程控制器PLC的车床电气系统改造

    1引言

       据调研，我国目前传统机床存有量占据市场80%左右，但这些设备大多比较老旧，性能落后，元件易老化，容易出现故障，生产效率较低。若直接弃之而购置新的数控机床，成本较高，且太浪费。而如果能够对这些老旧机床的电气系统利用PLC技术进行改造，可最大程度的利用原有机床设备，节省大量资金，而且可以获得更高的生产效率。可见普通机床的程控化改造有着很大潜力。正因为如此，本文以某车床的电气系统为例，进行程控化PLC改造。

       原有车床的电器设备，只改变其控制电路为实现车床原有基本功能，有必要了解一下该机床的工作原理。

     2 车床电气控制电路原理简介

       该车床电气原理图如图1所示。该图主要有电机主轴电路，冷却供给电路，刀架进给电路等几部分。
       电机Ml完成主轴的正反转（由复合按钮SB1控制KM线圈得电与断电），并经传动机构驱动进给刀具运动。主轴电机有点动试刀（按下SB6，KM3得电，主轴电机Ml串电阻减压启动），直接正反转启动以及反接制动等功能，并用电流表监测其运行中电流，（Ml起动时，电流表被KT短路，经过KT延时t秒后，电流表才开始工作，避免了起动电流过大，损害电流表）。同时有过载过流保护等功能。刀架的快速移动电路，当转动刀架手柄压动限位开关SQ时，接触器KM2得电吸合，快速电动机M3带动刀架快速移动。因快速电动机M3通常工作时间比较短，故此处未设过载保护。

    3 电气控制电路的PLC改造

       适当利用原有车床的部分继电器-接触器控制线路，重新设计PLC梯形图来实现其所要实现的电气功能。将原控制电路中的按钮，速度继电器，位置开关等用PLC的输入继电器代替，接触器用PLC输出继电器来代替，时间继电器用定时器来代替，同时利用PLC内部的辅助继电器，I/O点等可简化电路的结构。

       3.1 PLC的I/O点配置

       对该车床的电气控制电路进行PLC改造时，原电路中的继电器和接触器等电器位置基本不变，只有时间继电器KT用定时器T37和接触器KM6取代了。PLC的I/O点分配如附表所示，PLC主回路电路参照图1，控制回路接线如图2所示。        3.2 PLC的梯形图程序

       原车床电气原理图中Ml无论是正转还是反转，因不是频繁起动，故电阻都可以被短接，直接进行全压启动。故梯形图中加了一条切除限流电阻的支路。具体改造过程如下：

      （1）切除限流电阻。结合图2与网络1，按下SB2或者SB3，输入继电器10.1或10.2得电闭合，Q0.2得电并自锁，KM吸合，切除限流电阻，为主轴电机Ml正转或反转运行做准备。同时T37得电，使电流表延时接入主回路。

       (2) 主轴电机控制。按下SB2时，10.1得电闭合，由网络1知Q0.2得电吸合，切除限流电阻，同时网络3中常开触点Q0.2闭合，于是Q0.0得电并自锁，KM3吸合，主轴电机Ml正向全压启动。同时KM3串在反转回路（网络3）中的常闭触点Q0.0断开，使KM4不会得电，实现电气互锁。当电机正转需要停车时，按下SB1则10.0断开，Q0.2断电，KM失电，限流电阻接入，以限制反向制动电流。由于电机Ml正转转速较高时，KS2—直闭合，即11.0也一直闭合。再松开SB1时，Q0.0闭合得电，所以网络3中的Q0.1得电，KM4得电并自锁，电机反接制动；当速度低于一定值时，KS1断开，10.7断开，KM4失电电机停转，反接制动结束。电机反转及其制动程序见网络3，原理和正转类似。另外，按下SB4，网络2中的10.3得电，Q0.0闭合，可实现电机点动试刀。        (3) 电流表及冷却泵，快移电机的控制。在网络1中当电机正转或反转运行时，定时器T37得电，当时间到了，T37动作，网络4中T37触点闭合，Q0.5得电，KM6吸合，实现电流表延时后投入运行。网络5为冷却泵电机启停控制，网络6为快速移动电机，原理很简单，不再叙述。
    4 调试程序并仿真

       连接好PLC与上位计算机的PC/PPI电缆，将PLC运行模式选在stop位置。在计算机上用软件V4.0 STEP7 MicroWIN SP9编写上面的梯形图程序，并编译无误后，将程序下载到PLC中去。在RUN模式下，用接在输入端子I0.0-I1.6的小开关来模拟按钮提供的起始信号，停止信号等，观察Q0.0-Q0.5对应的LED状态是否正确。为节约成本，本项目实验程序直接在我校运动控制实验室中的PLC进行了测试运行，用实验板上的小开关代替了各种按钮以及位置传感器等，用流水灯上的几个LED分别代替了主轴电机，冷却电机，快移电机等进行模拟。经过模拟仿真验证：该程序方案是可行的，可以达到改程序的预期控制目标。搭建的模拟仿真系统如图3所示。
    5结语

       对原有普通车床的电气控制电路经PLC技术改造后，可以较低的投资，提高了生产效率，减小了故障率，对老旧机床进行了充利用，节省了成本。而PLC程序可以在线调试，容易根据现场需求修改控制功能，方便升级改造，故是一种良好方的改造方案。

       参考文献：
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        作者简介：黄贞辉（1986-），湖北师范大学讲师，现主要从事电气控制与PLC的研究与教学。
 
        来源：《变频器世界》2022年第25卷第01期